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火星（拉丁語：Mars；天文符號：♂），是離太陽第四近的行星，也是太陽系中僅次於水星的第二小的行星，為太陽系里四顆類地行星之一。西方稱火星為「瑪爾斯」，即羅馬神話中的戰神；古漢語中則因為它熒熒如火，位置、亮度時常變動讓人無法捉摸而稱之為「熒惑」。火星是太陽系的八大行星中第二小的行星，其質量、體積僅比水星略大。火星的直徑約為地球的一半，自轉軸傾角、自轉週期則與地球相當，但繞太陽公轉周期是接近地球的兩倍[3]。在地球上，火星肉眼可見，亮度可達-2.91，比金星、月球和太陽暗，但在大部分時間裏比木星暗。火星距離地球最近在5400萬公里（最遠達4億公里，探測器需飛行約7個月以抵達火星）。
關於與「火星」標題相近或相同的條目頁，請見「火星 (消歧義)」。 火星的真實色彩影像，由阿聯酋希望號火星探測器拍攝 | |||||||||||||
| 軌道參數 | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 曆元 J2000[1] | |||||||||||||
| 遠日點 | 2.492 3×108 km 1.666 AU | ||||||||||||
| 近日點 | 2.066 2×108 km 1.381 AU | ||||||||||||
| 半長軸 | 2.279 366×108 km 1.523 662 31 AU | ||||||||||||
| 離心率 | 0.093 412 33 | ||||||||||||
| 軌道週期 |
| ||||||||||||
| 會合週期 | |||||||||||||
| 平均軌道速度 | 24.13 km/s | ||||||||||||
| 平近點角 | 19.3871° | ||||||||||||
| 軌道傾角 | 1.850 61° (相對太陽赤道5.6521°) | ||||||||||||
| 升交點黃經 | 49.578 54° | ||||||||||||
| 已知衛星 | 2 | ||||||||||||
| 物理特徵 | |||||||||||||
| 平均半徑 | 3389.5 km (0.532 倍於地球) | ||||||||||||
| 赤道半徑 | 3396.2 km (0.532 倍於地球) | ||||||||||||
| 極半徑 | 3376.2 km (0.531 倍於地球) | ||||||||||||
| 表面積 |
| ||||||||||||
| 體積 | 1.631 8×1011 km³ (0.151 倍於地球) | ||||||||||||
| 質量 | 6.418 5×1023 kg (0.107 倍於地球) | ||||||||||||
| 平均密度 | 3.9335 g/cm³ | ||||||||||||
| 表面重力 | 3.693 m/s²(0.377g) | ||||||||||||
| 5.027 km/s | |||||||||||||
| 恆星週期 | 1.026 日 (24.622 9 小時) | ||||||||||||
| 赤道自轉速度 | 868.22 km/h | ||||||||||||
| 轉軸傾角 | 25.19° | ||||||||||||
| 北極赤經 | 21 h 10 min 44 s (317.681 43°) | ||||||||||||
| 北極赤緯 | 52.886 50° | ||||||||||||
| 反照率 | 0.25 | ||||||||||||
| |||||||||||||
| 視星等 | 最大：-2.91 衝：平均-2.0 | ||||||||||||
| 角直徑 | 3.5″－25.1″ 衝：平均17.9″ | ||||||||||||
| 大氣特徵 | |||||||||||||
| 表面氣壓 | 6.36 hPa (平均氣壓） 0.4－8.7 hPa (季節變化) | ||||||||||||
| 成分 | |||||||||||||
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火星大氣以二氧化碳為主（95%二氧化碳），既稀薄又寒冷，其表面特徵類似月球上的撞擊坑，以及地球上的山谷、沙漠和極地冰蓋。英語中，其通常被稱為「紅色星球」（英語：Red Planet）。[4][5]火星呈現為橘紅色是因為其地表廣泛的分佈着氧化鐵。火星地表遍佈沙丘、礫石，沒有穩定的液態水。火星南半球是古老、充滿隕石坑的高地，北半球則是較年輕的平原。
火星已被數十艘無人太空船探索。1964年11月28日，由NASA發射的水手4號是第一個訪問火星的航天器，於1965年7月15日最接近該行星。蘇聯火星3號飛船於1971年12月實現了軟着陸，但着陸後數秒內失去了聯繫。歐洲空間局成為第三間派遣探測船訪問火星的航太機構，其火星快車號於2003年12月25日到達火星軌道。2014年9月24日，印度空間研究組織的火星軌道探測器到達火星軌道，成為第四個成功派遣探測船到達火星的航太機構。接着還有阿聯酋的希望號與及中國的天問一號。火星目前有八艘探測船在軌道中運行。
由於火星位於太陽系的宜居帶，同時有更多證據證明火星曾擁有類似地球的環境，與及豐富的資源，故此火星成為各國研究的重點，[6]其中美國[6]及中國[7]已有載人登陸火星的計劃，未來將在火星建立基地。
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火星有兩個天然衛星：火衛一和火衛二，形狀不規則，可能是其捕獲的小行星。根據探測到的證據，火星兩極有冰冠覆蓋，亦觀察到季節性的水氣及類似地下水湧出的現象，而過往的火星亦可能被大面積的海洋、湖泊及河流覆蓋。[8]火星全球勘測者則觀察到其南極冠有部份退縮。[9]火星快車號和火星偵察軌道器的雷達資料顯示其兩極和中緯度地表下存在大量的水冰[10][11][12]。2008年7月31日，鳳凰號直接於表層土壤之下證實水冰的存在。[13]2013年9月26日，火星探測車好奇號發現火星土壤含有豐富水分，大約為1.5至3重量百分比，顯示火星有足夠的水資源供給未來移民使用。2015年9月證實火星表面有間歇流動的液態水（液態鹽水）。[14][15][16][17][18]2018年7月25日，意大利航天局宣佈，在火星冰蓋之下發現一個直徑20公里的冰下湖。這是太空科學家在火星上探測到的首個大型液態水體[19]。
以直徑、質量、表面重力來說，火星約介於地球和月球中間：火星直徑約為地球的一半、月球的兩倍，質量約為地球的九分之一、月球的九倍，表面重力約為地球的38%、月球的2.4倍。火星體積約為地球的15%，質量約為11%，表面積略小於地球陸地面積，密度則比其他三顆類地行星還要小很多[23]。2012年8月，加利福尼亞大學洛杉磯分校的教授尹安在分析了100張來自火星勘測軌道飛行器的衛星圖片後發現，火星有類似地球主要板塊劃分的構造特點[24]。
長期觀測火星發現，南半球地勢比北半球高，北極盆地顯示有過大撞擊，推論約45億年前遭冥王星大小天體撞擊之後，不但形成火衛一和火衛二[25]，亦逼使內核熱能散溢出上地幔、內部攪拌逐漸停止，無法以發電機原理持續對流生成磁場。[26]由於火星比地球小，相對表面積與體積成反比而較大，因此火星核心也冷卻得比地球的快，地質活動趨緩，磁場和板塊運動消逝，太陽風帶走大氣變薄導致氣壓偏低，而造成液態水在低溫就會沸騰、無法穩定存在。[27]
火星的地殼平均厚約50公里[28]，最厚可達125公里。火星的地幔由矽酸鹽組成，包裹着半徑約為1300至2400公里，可能由液態鐵及少量硫組成[29]的地核。[30]
古瑟夫撞擊坑充滿沙石的地表
Endurance撞擊坑中的沙丘
火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍佈，沒有穩定的液態水體。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，每年常有塵暴發生。與地球相比，地質活動不活躍。[6]
火星地表地貌大部份於遠古較活躍的時期形成，充滿撞擊坑，有密佈的隕石坑、火山與峽谷。奧林帕斯山是太陽系最高的山，水手號峽谷是太陽系最大的峽谷。另一個獨特的特徵是南北半球的明顯差別：南方是古老、充滿隕石坑的高地，北方則是較年輕的平原，兩極皆有主要以水冰組成的極冠，而上覆的乾冰會隨季節消長。[6]
基於撞擊坑密度的撞擊坑計數法可判別出其地表年齡：撞擊坑大而密集處較老，反之則年輕，進而將地質年代分為四個階段：前諾亞紀、諾亞紀、赫斯珀利亞紀和亞馬遜紀。前諾亞紀沒有留下實質地表，此時地形南北差異形成，有全球性磁層；諾亞紀有大量隕石撞擊，火山活動旺盛，可能有溫暖潮濕的大氣、河川和海洋，侵蝕旺盛，但到末期這些活動已減弱很多；赫斯珀利亞紀，火山活動仍然繼續；亞馬遜紀則是大氣稀薄乾燥，以冰為主要活動，如極冠、冰凍層、冰河，並有週期性變遷，溝壑也是這時期形成，火山活動趨緩並集中在塔爾西斯與埃律西昂。[6]
現今火星風成地形遍佈，如吹蝕、磨蝕等風蝕作用，和沙塵遇地形阻礙而填積、侵積等風積作用。（名詞解釋：[31]）前者形成如廣泛分佈於梅杜莎槽溝層的風蝕脊[32]，後者則如大瑟提斯高原上撞擊坑下風處的沙塵堆積，和撞擊坑中常見的沙丘。
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火星和地球一樣擁有多樣的地形，有高山、平原和峽谷。南北半球的地形有着強烈的對比：北方是被熔岩填平的低原，南方則是充滿撞擊坑的古老高地，而兩者之間以明顯的斜坡分隔；火山地形穿插其中，眾多峽谷分佈各地，南北極有以水冰與乾冰組成的極冠，而風成沙丘廣布整個星球。隨着衛星拍攝的照片越來越多，更發現很多的地形景觀。[6]
20世紀早期，地面以無線電波測量火星地形。1976年海盜號進行的地形測量，發現了峽谷和南北半球的巨大差異，而衍生出北方平原本是海洋的假說。火星全球勘測者自1999年起以雷射進行更精確的地形測量，得出目前使用的全球地形圖，以火星大地水準面（Areoid）為基準，最高點在奧林帕斯山，高21,229米；最低點在希臘平原，低於基準8,200米。[33]現在很多探測器，如火星勘察衛星、火星快車號和火星探測漫遊者會運用航照圖的地形判別方法，以視差法來測量區域地形，並製成高解像度立體照片。此外，火星的經度坐標採用東經0至360度，而非地球的東西經各180度。[6]
塔爾西斯高原擁有許多座大型火山，其中包括一座盾狀火山——奧林帕斯山。它的寬度超過600公里[34]，高度超過21公里[35]，其高度[註 1]達到了茂納凱亞火山[註 2]的兩倍，與灶神星雷亞希爾維亞盆地的中央山丘高度相當，是太陽系中最高的山峰之一。[36]
人類已在火星上發現了超過4.3萬個直徑大於5公里的隕石坑。[37]其中，最大的隕石坑是希臘平原，寬約2300公里，深約7公里，是一個清晰的反照率特徵。[38][39]同時，火星還有其它大型隕石坑，如阿耳古瑞平原（寬約1800公里）[40]及伊希斯平原（寬約1500公里）。[41]火星隕石坑的形態表明，在隕石撞擊後，其地面曾經變得濕潤[42]。
火星上的水手谷長約4000公里（與歐洲相當），深度約7公里。它的形成可能是由於塔爾西斯高原的擴大而導致的地殼塌陷。在2012年，科學家提出水手谷並不是一個地塹，而是一個已漂移了150公里的板塊的邊界。[註 3][43]
來自火星奧德賽號上熱輻射成像系統（THEMIS）的影像顯示阿爾西亞山北坡有七個可能的深洞，照片中光線無法抵達底部，推測底部可能更深、更寬，可能免受微隕星、紫外線、太陽閃焰和其他高能粒子的侵害，可能是未來尋找液態水或生命痕跡的可行地點。[44]但後來火星勘察衛星的更高解像度HiRISE影像部分推翻了之前猜測，認為只是光線角度造成深不見底的樣子。[45]
火星大氣層相對較薄，平均地表氣壓只有6百帕，約為地球表面氣壓的0.6%，相當於地球表面算起35公里高的氣壓，如此低的氣壓使聲音傳播的距離只有在地球上的1.5%。[46][47]隨着季節的變化，火星氣壓變化可達20%。火星大氣層按高度可分為低層大氣、中層大氣、上層大氣和外氣層。其中低層大氣由於氣懸微塵與地表的熱，這部份相對溫暖；中層大氣存在有高速氣流；上層大氣（或熱氣層）溫度很高，大氣分子也不再像下層那樣分佈均勻；外氣層高度在200公里以上，大氣漸漸過渡到太空，無明顯外層邊界。[6]
火星大氣成分為95%的二氧化碳，3%的氮氣，1.6%氬氣，很少的氧氣、水氣等，亦充滿著很多吸收藍光的懸浮塵埃，使天空成黃褐色。[48][註 4]2003年火星大衝時地面望遠鏡在大氣中發現了甲烷；2004年3月，火星奧德賽號確認了這一發現。由於甲烷易被紫外線分解，存在甲烷表示現在或者最近幾百年內在火星上存在製造甲烷的來源，火山作用、地質作用、彗星或小行星撞擊甚至生物來源如甲烷古菌等都有可能。[50][51]2013年9月19日，根據從好奇號得到的進一步測量數據，NASA科學家報告，並沒有偵測到大氣甲烷（atmospheric methan）存在跡象[註 5]，因此總結甲烷微生物活性概率很低，可能不存在生命。但是，很多微生物並不會排出任何甲烷，仍舊可能在火星發現這些不會排出任何甲烷的微生物。[52][53][54]
火星大氣環流主要為單胞環流，由赤道相對熱空氣上升，漂至極區下沉，再沿地面回到赤道。另外，在火星的北半球，極冠的二氧化碳昇華進入大氣，使氣壓升高；而南半球由於二氧化碳凝華，氣壓下降。由於進出大氣的二氧化碳量高達25%，造成南北壓力差，空氣便傾向由高壓的夏半球流向低壓的冬半球，形成另一依季節而變向的環流。因此火星的天氣系統一般為全球性的，例如塵暴。[55]
由於火星的自轉軸傾角與地球的相當，火星的氣候是在太陽系中與地球最相似的，但一個季節的時間比地球的要長。[註 6]火星離太陽較遠，表面接收到的陽光僅有地球的43%，[56]且大氣層較薄，無法存儲過多熱量，因此火星表面的溫差較大（-110 °C～35 °C）[57]。[註 7]
火星天氣重覆次數較高，比地球的容易預測。如果一個氣象事件在一年的特定時間中發生，可提供的資料（相當稀疏）指出，那個事件很可能在下一年幾乎同一個位置再發生一次，誤差最多一個星期。
2008年9月29日，鳳凰號拍下了降雪事件，是在接近鳳凰號登陸地點附近海姆達爾撞擊坑之上，為高4.5公里的幡狀雲降雪。這次降雪在到達火星表面時就已蒸發[58]。火星上的風速要超過地球100倍[59]。
火星地表遍佈着流水的遺跡，有些是洪水刻畫而成，有些則是降雨或地下水流動而形成，但多半年代久遠。沖蝕溝則是另一類規模較小的地形，但形成年代十分年輕，常分佈於撞擊坑壁，型態多樣。關於其成因有兩派說法，一派認為是由流動的水造成，另一方則認為是凹處累積的乾冰促使了鬆軟物質滑動。[60]
北極初夏的冰蓋（1999年）
南極仲夏的冰蓋（2000年）
火星南北極有明顯的極冠，曾被認為是由乾冰組成，但實際上絕大部分為水冰，只有表面一層為乾冰。這層乾冰在北極約1米厚，在南極則約8米厚，是冬季時凝華而成，到夏季則再度昇華進入大氣，不過南極的乾冰並不會完全昇華。[61]夏季仍存在的部分稱為永久極冠，而整體構造稱做極地層狀沉積（Polar Layered Deposits），和地球南極洲與格陵蘭冰層一樣為一層層的沉積構造。北極冠寬達1,100公里，厚達2公里，體積82.1萬立方公里[62]；南極冠寬達1,400公里，最厚達3.7公里，體積約1.6百萬立方公里。[63]兩極冰冠皆有獨特的螺旋狀凹谷，推論主要是由光照與夏季接近昇華點的溫度使溝槽兩側水冰發生差異融解和凝結而逐漸形成的。[64][65]
2011年由火星勘察衛星的淺地層雷達發現南極冠有部分原本認為是水冰的地層其實是乾冰，所含二氧化碳量相當於大氣含量的80%，這比以往認為的要多很多。根據此的模擬結果，十萬年一週期的氣候變遷中藉由乾冰昇華、凝結，大氣總質量的變化幅度會達數倍。[66][67]由這些乾冰沉積上方地表的下陷與裂隙判斷，乾冰正在慢慢昇華。[68]
自海盜號即發現，火星北半球中緯度有幾處峽谷底含有條紋流動狀的地表特徵，但不確定是富含冰的山崩、含冰土的流動或是塵礫覆蓋的冰河。但根據更新任務的資料與比對地球的相關地形，支持這些是冰河，且推測是自轉軸傾角較大時的氣候狀態下所累積的。[69]
由火星奧德賽號X射線光譜儀的中子偵測器得知，自極區延伸至緯度約60°的地方表層一米的土壤含冰量超過60%[70][71]，推測有更大量的水凍在厚厚的地下冰層（cryosphere）。
另外一個關於火星上曾存在液態水的證據，就是發現特定礦物，如赤鐵礦和針鐵礦，而這兩者都需在有水環境才能形成。[72]
對於在火星上有冰存在的直接證據在2008年6月20日被鳳凰號發現，鳳凰號在火星上挖掘發現了八粒白色的物體，當時研究人員揣測這些物體不是鹽（在火星有發現鹽礦）就是冰，而四天後這些白粒就憑空消失，因此這些白粒一定昇華了，鹽不會有這種現象。2008年7月31日，美國航空航天局科學家宣佈，鳳凰號火星探測器在火星上加熱土壤樣本時鑑別出有水蒸氣產生，從而最終確認火星上有水存在。[73]
2013年9月26日，美國航空航天局科學家報告，火星探測車好奇號發現火星土壤含有豐富水分，重量約佔1.5%～3%，顯示火星有足夠的水資源供給未來移民使用。[14][15][16][17]
2015年9月28日，美國航空航天局宣佈，在火星上發現液態的鹽水。根據火星勘測軌道飛行器配備的光譜儀獲得的數據，研究人員在火星的斜坡上發現了水合礦物。這些暗色條紋表明火星地表隨時間變化有流水存在。在較溫暖的季節，這些線條的顏色變得更深，表明水流在斜坡上出現，在較冷的季節，這些地表特徵變淺。在火星的部分地區，最高溫度可以達到攝氏零下23度，此時深色線條最明顯。[74]
2018年7月25日，據意大利媒體報道，該國科學家在火星上首度發現一個地下液態水湖。該研究稱，「火星地下及電離層高級探測雷達」在火星南極冰層下1.5公里處發現一個大型液態水湖，裏面含有鹽。湖的直徑約為20公里，溫度至少為零下10度。[75]
火星與太陽平均距離為1.52AU，公轉週期為1.88地球年，687地球日，或668.6火星日。火星公轉軌道和地球的一樣，受太陽系其他天體影響而不斷變動。軌道離心率有兩個變化週期，分別是9.6萬年和210萬年，於0.002至0.12間變化[76]；而地球的是10萬年[77]和約40萬年，於接近0至0.07間變化（見米蘭科維奇循環）。[78][79]
1火星日平均為24小時39分35.244秒[80]，或1.027地球日。[81]火星目前自轉軸傾角為25.19度，和地球的相近。不同於地球的穩定處於22.1和24.5度間，由於火星沒有如月球般的巨大衛星來維持自轉軸，其自轉軸傾角可在13度至40度間變化，其變化週期為一千多萬年。[82]由於沒有大衛星的潮汐作用，火星自轉週期變化小，不像地球的會被慢慢拉長。[83]
火星自轉軸有明顯傾斜，日照的年變化形成明顯的四季變化，而一季的長度約為地球的兩倍。由於火星軌道離心率大，為0.093（地球只有0.017），使各季節長度不一致，又因遠日點接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各長約40天。雖然火星沒有地球般受海洋影響的複雜氣候，但仍有以下特殊之處：火星軌道離心率比地球大，造成日射量在一年當中變化更大，位於近日點時，南半球處夏季，比北半球遠日點夏季所造成的升溫更強；隨季節交替，二氧化碳和水氣會昇華和凝結而在兩極冠間遷移，驅動大氣環流；地表反照率特徵，因顏色深淺和沙、岩性質差異而造成的容積熱容不同，可影響大氣環流；易發生的塵暴會將沙塵粒子捲入高空，沙塵粒子吸收日光與再輻射會使高層大氣增溫，但遮蔽天空的沙塵會使地表降溫；自轉軸傾角和軌道離心率的長期變化則造成了氣候的長期變遷。火星表面的平均溫度比地球低30度以上。[6]
目前，火星與地球最短距離正慢慢減小。當地球與火星之間的距離最小時，稱為火星衝日。火星相鄰兩次衝日的時間間隔約為779天。[84]當地球、太陽和火星連成一線時，在火星上便可看到地球凌日，在太陽的位置可看到地球的黑點通過[85]，同理還有水星凌日[86]，在地球上則不會看到火星凌日。[87]
火星有兩個天然衛星——火衛一與火衛二，最長直徑各為27公里和16公里，形狀不規則並充滿撞擊坑，以近圓形的軌道於接近火星赤道面處公轉。它們雖然很小，但由於接近火星，使火衛一從火星上看約有滿月直徑的二分之一至三分之一大，而火衛一的視星等可達-7，火衛二可達-5，白天可能可見。[88]和月球一樣，這兩顆衛星都被火星潮汐鎖定。[註 8]火衛一的公轉週期比火星自轉更快，所以在火星上來看是西升東落的，且僅需約4個小時；而火衛二的公轉周期只比火星自轉慢一些，東升西落要花約2.4個火星日。[88]因為火衛一離火星很近，火星的潮汐力會慢慢但穩定地減小它的軌道半徑，預計再過約760萬年，火衛一將因軌道低於3620公里（火星的洛希極限）而被瓦解。[89]另一方面，火衛二因為離火星足夠遠，所以它的軌道反而正在慢慢地被向外推進。[6]
兩顆衛星可能是捕獲的小行星，但新研究認為可能是撞擊事件、或原本的衛星被火星潮汐力拉碎後，由散佈軌道上的岩屑再度吸積而形成。[90]
火星的火紅色，自古就吸引着人們，希臘人稱火星為「戰神」。此時的火星觀測和其他天體一樣，大部分是為了占星，而後漸漸涉及科學方面，如開普勒探索行星運動定律時依據了第谷積累的大量而精密的火星運行觀測資料。[92]
望遠鏡出現後，人們對火星可以進行更進一步的觀測。使用望遠鏡觀測星空的伽利略所見的火星只是一個橘紅小點，然而隨着望遠鏡的發展，觀測者開始辨別到一些明暗特徵。惠更斯依此測出火星自轉週期約為24.6小時，而他亦為首次紀錄火星南極冠的人。一開始由於各人各自觀測，意見不一致，地名也未統一（例如用繪製者名字命名）。後來意大利的喬范尼·斯基亞帕雷利統合了各家說法而繪製了地圖，地名取自地中海、中東等的地名和聖經等作為來源，而其餘則依照舊有的觀念：暗區被認為是湖、海等水體，如太陽湖、塞壬海、明顯的暗大三角——大瑟提斯；而亮區則是陸地，如亞馬遜。這個命名系統一直延續下來。[92]
當時，斯基亞帕雷利和同期觀測者一樣，觀察到了火星表面似乎有一些從暗區延伸出的細線，因為對於暗區是水體的傳統，這些細線被命名為「水道」。而後來觀察到暗區會在冬季時縮小、夏季時擴張。有人提出暗區是植物覆蓋、而暗區的擴大縮小則是消長所引起的，改變以往認為暗區是水的說法。帕西瓦爾·羅威爾觀察到並宣稱那些「水道」其實是人工挖掘的「運河」，用來灌溉植物，因為水道應太細不可見，而看到的細線應是灌溉出的大片植物。風靡大眾的火星科幻和火星人即源於此。不過這些細線大多已被證明不存在，部分則是峽谷或隕石坑後延伸出的深色沙子。而火星表面顏色的改變則是因為沙被風吹移，或發生沙塵暴。[92]
蘇聯、美國、日本在這個世紀發射了不少太空船研究火星表面、地質和氣候。這些太空船包括軌道衛星、登陸器和漫遊車，但相當大部分任務在完成前或剛要開始時就因種種原因而失敗。[93]
1960年10月10日，蘇聯向火星發射了第一枚探測器火星1A號，但以失敗告終。此後蘇聯經過多次嘗試，終於在1962年11月1日，蘇聯向火星發射了火星1號，這枚探測器終於進入了前往火星的軌道，然而1963年3月21日它飛行到距離地球1.06億公里的距離時，與地面失去了通信聯繫。1965年，NASA的水手4號飛掠火星。1971年水手9號進入火星軌道，成為第一個環繞火星的探測船[94]。
1971年蘇聯火星計劃火星2號的登陸器墜毀後數日，相同的火星3號的登陸器成功登陸火星，是第一個成功登陸火星的探測器，但登陸十幾秒後隨即失去聯繫，攜帶的火星車Prop-M也未能將訊息傳回地球。1975年，NASA發射海盜號，包括兩組軌道衛星和登陸器。海盜1號和2號軌道衛星各運作了六年和三年。兩個登陸器皆於1976年成功登陸，並傳送了第一張火星地景的彩色照片[95]，而軌道衛星也繪製了全面的火星地圖，甚至到今天都還在使用。
1988年蘇聯發射弗伯斯1號、2號以探測火星和兩個衛星。弗伯斯1號於抵達前失去聯繫，而弗伯斯2號雖然成功拍攝了火星和火衛一，但在放出兩艘登陸器到火衛一前也失去聯繫，所攜帶的着陸器也未能在火星表面着陸。[96]
在1992年火星觀察者失敗後，NASA於1996年11月發射了火星全球勘測者。火星全球勘測者於1997年進入火星環繞軌道，其出色地完成任務，它在2001年完成了地圖繪製的任務，並三次延長任務，直到2006年11月2日失去聯繫而結束，總計在太空中運作了10年。在火星全球勘測者發射一個月後，NASA發射了火星探路者，並攜帶一個登陸器和漫遊車——旅居者號（Sojourner），於1997年7月登陸在阿瑞斯峽谷。旅居者號成為第一個在火星上成功運作的火星車，並運作長達83個火星日傳回了大量照片。[97]
NASA的火星勘測98計劃於1998、99年發射了火星氣候衛星與火星極地登陸者，前者預計研究氣候、水與二氧化碳等，後者則預計於南極登陸，探測器搭載的深空2號則計劃於火星極地登陸者進入大氣時與它分離，直接降落並穿入地表進行研究。但火星氣候探測者號在1999年9月23日在進入火星軌道的過程中失去聯絡，最終任務失敗[98]，極地登陸者則在1999年12月3日探測器登陸火星時失去聯絡，[99]兩者均以失敗告終。
另外，1996年12月16日，俄羅斯發射了火星96號探測器，探測器進入地球軌道後未能成功點火進入前往火星的軌道，而宣告失敗。[6]1998年7月3日日本發射的希望號探測器，於2003年12月10日進行最後的遠程遙控修復作業仍告無效之後，日本放棄讓「希望號」進入火星軌道的嘗試，項目也以失敗告終。[100]
這個世紀，更多國家和地區的航天部門加入到火星探測的行動中。
2001年NASA發射了2001火星奧德賽號，任務成功進行並延續到2010年9月。[101]船上的伽瑪射線光譜儀於地表下一米內偵測到大量的氫，證明有大量的水分子存在火星近地表。[102]2003年NASA發射了兩台相同的火星探測漫遊者——精神號（MER-A）和機會號（MER-B）。兩台皆於2004年1月成功登陸並工作超過預定時間。傳回的資料中最有價值的是兩地過去有水的確實證據。偶爾的塵捲風和風暴清除了太陽能板上的沙塵，使它們的工作時長超過了預定任務時間。[103]
2003年歐洲太空總署發射了火星快車號，包括軌道衛星和登陸器——小獵犬2號，而小獵犬2號於2004年2月降落失敗（後查證為降落後無法正常部署而失聯）。[104]2004年船上的行星傅立葉光譜儀於其大氣中偵測到甲烷。2006年6月ESA宣佈火星快車號發現極光。[105]
2005年8月NASA發射了火星勘察衛星，於2006年3月進入火星軌道展開為期2年的工作。它搭載更先進的通訊系統，頻寬比之前任務總和還寬，且傳回的資料遠多於過去任務的總和。其擁有解像度高達0.3米的相機——HiRISE，拍攝地表和天氣以尋找未來任務的適合登陸地點。2008年2月19日拍攝到北極冠邊緣的一系列雪崩影像。[106]
2007年2月25日，探測彗星的羅塞塔號近距離飛掠火星並拍照，拍到火星的高空雲系。[107]
NASA於2007年8月發射鳳凰號，於2008年5月登陸在火星北緯68度的極區。[108]鳳凰號登陸器有一支可伸及2.5米的機械手臂，並可挖掘土壤1米深。它還搭載一座顯微鏡，解像度達人類頭髮寬度的千分之一。2008年6月20日，其確認了在2008年6月15日發現的地表白色物質為水冰。[109][110]2008年11月10日，NASA由於火星進入冬季而無法繼續聯繫鳳凰號，任務結束。[111]2009年2月17日，黎明號飛掠火星以重力助推前往目的地灶神星和穀神星，並在接近火星時拍照。[112]
2011年11月9日，中俄合作的福布斯-土壤號升空，預計送回火衛一土壤樣本。而該探測器還搭載了一顆重110公斤的火星探測器，也就中國第一艘火星軌道環繞器螢火一號（YH-1），預計乘坐俄羅斯的聯盟號運載火箭升空，航程大約10個月。螢火一號主要研究火星的電離層及周圍空間環境，火星磁場等。[113]但該探測器發射到近地軌道後，因為與地面失去聯繫變軌失敗，探測器的碎片於莫斯科時間2012年1月15日墜落在太平洋海域。[114][115]
繼鳳凰號之後，NASA於2011年的發射的火星科學實驗室（好奇號），在2012年8月6日05:31UTC成功登陸火星的蓋爾撞擊坑。它和火星探測漫遊者一樣是火星車，但比火星探測漫遊者更大、速度更快，而且設備更完善。它搭載了雷射化學檢測儀，可在13米外分析岩石的組成[116]。比起之前其它火星任務，它攜帶了更多先進科學儀器。本次任務的總成本達到了25億美元，是歷來最貴的火星探測任務。[117]2013年11月19日NASA發射MAVEN探測器，研究火星大氣。[118]2014年9月22日進入環繞火星的軌道，MAVEN至今仍在運作。[119]2014年9月24日，印度的火星軌道探測器也成功進入火星軌道。[120]
2016年3月14日，ESA與俄羅斯聯邦航天局合作研發的火星微量氣體衛星成功發射，該衛星將分析火星大氣層，並將運載斯基亞帕雷利演示登陸器至火星進行登陸。其可挖掘兩米深以尋找有機物甚至火星生命。[121]登陸器於2016年10月19日登陸火星，但由於登陸器與火星高速碰撞，造成登陸計劃失敗。原定於2020年7月發射的羅莎琳·富蘭克林號[122]，則被推遲到2022年[123]。
2020年7月下旬，阿聯酋希望號火星探測器、中國國家航天局的天問一號、與NASA的毅力號，先後發射升空。2021年2月9日希望號到達火星。2月18日毅力號成功登陸火星，毅力號還攜帶一台火星無人直升機機智號，機智號在2021年4月19日首次試飛獲得成功，這是人類首次實現飛行器在其他星球的受控飛行。4月20日，毅力號成功將火星大氣的二氧化碳轉化成氧，這是地球以外的首次成功造氧。[124]5月15日，中國國家航天局的天問一號着陸器和祝融號火星車在火星烏托邦平原南部預選着陸區成功着陸，[125]5月22日，祝融號被成功釋放到火星表面，中國成為了繼美國之後第二個在火星着陸並且成功部署火星車的國家，而且是第一個一次完成環繞、登陸、巡視的國家。[126]
目前，將一公斤物體由地球表面送往火星平均要花費約30,900美元。2004年美國總統布什宣佈載人火星任務為太空探索展望中的長期目標。[127]NASA和洛歇·馬丁已開始研究獵戶座太空船，計劃於2020年以前送人類到月球，作為人類登陸火星的準備。2007年9月28日，NASA執行長邁克爾·格里芬聲明NASA預計於2037年以前送人類到火星。[128]ESA也希望於2030至2035年間將人類送上火星。[129]
直達火星是羅伯·祖賓——火星學會的創始人和主席——提出的極低成本載人火星任務，使用重載的農神五號級火箭，省略軌道組裝、低地軌道會合和月球燃料補給站而直接用小的太空船前往火星。修改後的計劃，稱為「Mars to Stay」，改為先不送回第一批登陸者。狄恩·尤尼克說明，送回一開始的四到六人所花費用比送他們到火星還高，反而還可再送二十人。[130]
2000年，美國科學家在南極洲發現了一塊火星隕石。這是一塊碳酸鹽隕石，後被編號為ALH84001。美國太空總署聲稱在這塊隕石上發現了一些類似微體化石的結構，有人認為這可能是火星生命存在的證據，但也有人認為這只是自然生成的礦物晶體。直到2004年，爭論的雙方仍然沒有任何一方佔據上風。[131][132]
有證據顯示火星曾比現在更適合生命存在[133]，但生命在火星上到底是否真正存在過還沒有確切的結論。某些研究者[134][135]認為源自火星的ALH84001隕石有過去生命活動的證據，但這個看法至今尚未得到公認。另有反對的觀點[134]認為，自幾十億年前產生以來，該隕石從未長期處於液態水存在的溫度下，因而不會曾有生命活動。[136][131]
海盜號曾做實驗檢測火星土壤中可能存在的微生物。實驗只分析了海盜號着陸點處的土壤並給出了陽性的結果[137][138]，但隨後即被許多科學家所否定，而這一結果也仍就處在爭議之中[139]。現存生物活動也是火星大氣中存在微量甲烷的解釋之一，但亦有其它與生命無關的解釋。人類若對外星殖民，由於火星的適宜條件（同其他行星相比，火星最像地球，而且距離相對較近），它將是人類的首選地點。[140]
2018年6月6日，美國太空總署宣佈，好奇號探測車在火星古老湖床的岩石裏發現有機物質。這可能對尋找生命給出重要線索。[141]
中國古人認為火星在位置及亮度上都常變不定，故稱為「熒惑」，在星占學上象徵殘、疾、喪、飢、兵等惡象。「熒惑守心」是火星留守在心宿（天蠍座）的天文現象，心宿主要有三顆星，中間這顆最亮，代表皇帝，旁邊的兩顆代表太子、庶子。熒惑守心是很罕見的天象，被認為最不祥，可能出現兩種結果一是皇帝駕崩，或是宰相下台。西漢成帝綏和二年（前7年），天文台觀測到了熒惑守心，宰相翟方進被漢成帝賜了毒酒自殺。翟方進死沒幾天，漢成帝突然暴斃[142]，王莽後來稱帝，翟方進之子翟義起兵反王莽。[143]
台灣國立清華大學黃一農教授在他的專書《名家專題精講系列—社會天文學史十講》內的其中一篇文章《中國星占學上最凶的天象──「熒惑守心」》提到，現在以電腦推算發現當年並未發生此天象，中國史籍中記載熒惑守心共二十三次，但有十七次是偽造的。中國歷史上實際發生過的熒惑守心則共有三十八次，且在中國史籍多無記錄[144][145]。
關於火星的神話傳說有：
火星文是中文互聯網曾經流行的一種特殊的文本，大量使用同音字、音近字、特殊符號來表音，難以閱讀，取「地球人看不懂的文字」的諷刺意味。[146]
火星人又是一個網絡名詞，一則指個性講究中不斷泛濫，衍生出的社會現象，另指在中國論壇中，火星被用來形容陳舊的信息，火星人指把大家都已經知道的消息拿來當新聞說的人。[147]
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